Technologie éolienne. Plan de cours. Énergie éolienne moderne et ses origines Aérodynamique des éoliennes. Christian Masson

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1 Technologie éolienne Christian Masson Département de génie mécanique École de technologie supérieure 8 octobre 008 Technologie éolienne Plan de cours Énergie éolienne moderne et ses origines Aérodynamique des éoliennes 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne

2 . Énergie éolienne moderne et ses origines 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 3. Énergie éolienne moderne et ses origines. Historique de l énergie éolienne a. Développement mondial b. Développement canadien c. Évolution des coûts. Éoliennes modernes a. Évolution de la puissance moyenne b. Composantes principales c. Technologies en présence d. Courbe de puissance.3 Principaux constructeurs.4 Principaux producteurs a. Situation mondiale b. Situations canadienne et québécoise 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 4

3 . Historique de l énergie éolienne Développement mondial Panémone perse (000) Machine à axe vertical Utilise la traînée Puissance mécanique Moudre le grain 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 5. Historique de l énergie éolienne Développement mondial Moulin européen ( ) Machine à axe horizontal Rotor de 4 pales (avec gauchissement et profilées) Mécanisme d orientation au vent Puissance mécanique Moudre le grain Pomper l eau (Hollande) 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 6

4 . Historique de l énergie éolienne Développement mondial Éolienne type rose des vents américaine (Etats-Unis, 850) Machine à axe horizontal Rotor multipale Puissance mécanique Pomper l eau 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 7. Historique de l énergie éolienne Développement mondial Éolienne de Charles.F. Brush (États-Unis, 888) Machine à axe horizontal Rotor de 44 pales 7 m de diamètre kw (dynamo) Mécanisme automatique d effacement au vent Première transformation en puissance électrique Éclairage d une résidence 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 8

5 . Historique de l énergie éolienne Développement mondial Éolienne de Gedser (Danemark, 956) Machine à axe horizontal Rotor tri-pales face au vent Contrôle par décrochage aérodynamique (pas fixe) Frein aérodynamique en bout de pale Transformation en puissance électrique Génératrice asynchrone Concept danois classique 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 9. Historique de l énergie éolienne Développement canadien 970 : Début du programme de recherche Éoliennes à axe vertical Essaies en soufflerie (NRC, Ottawa) 4.5 m de diamètre 500 W 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 0

6 . Historique de l énergie éolienne Développement canadien 988: Plus grosse éolienne à axe vertical Installée à Cap-Chat Hauteur : 96 m Diamètre : 64 m Corde :.4 m 4MW 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne. Historique de l énergie éolienne Évolution des coûts 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne

7 . Historique de l énergie éolienne Évolution des coûts 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 3. Historique de l énergie éolienne Évolution des coûts 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 4

8 . Historique de l énergie éolienne Évolution des coûts 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 5. Historique de l énergie éolienne Évolution des coûts Prix moyen de l éolien au Québec Emplacement Puissance Coût ( /kwh) Années (MW) Production Transport Équilibrage Murdochville ,8 Gaspésie ,5,3 0,5 Rivière du Loup ,0 000 Québec ,7,3?? 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 6

9 . Éoliennes modernes 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 7. Éoliennes modernes 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 8

10 . Éoliennes modernes Composantes principales 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 9. Éoliennes modernes Technologies en présence itesse constante / calage constant Concept danois original itesse constante / calage variable Bonus (Siemens), NEG Micon (estas) Glissement variable / calage variable estas itesse variable / calage variable GE Wind, estas, Enercon Entraînement direct / calage variable Enercon Entraînement direct / vitesse variable Jeumont 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 0

11 . Éoliennes modernes Courbe de puissance ce [kw] Puissan 700 0, , ,4 00 Décrochage avec multiplicateur 00 Contrôle actif avec multiplicateur Contrôle actif - attaque directe 0, , Cp itesse [m/s] 0 0, Décrochage avec multiplicateur Contrôle actif avec multiplicateur Contrôle actif - attaque directe 0, itesse [m/s] 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne.3 Principaux constructeurs Situation mondiale estas (Danemark) Enercon (Allemagne) Nordex (Danemark) GE Wind (États-Unis) t Gamesa (Espagne) Bonus (Danemark) (propriété de Siemens) Repower (Allemagne) DeWind (Allemagne) e) d 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne

12 .4 Principaux producteurs Situation mondiale Évolution de la puissance installée dans le monde 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 3.4 Principaux producteurs Situation mondiale (suite) 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 4

13 .4 Principaux producteurs Situation mondiale (suite) 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 5.4 Principaux producteurs Situations canadienne et québécoise Puissance installée au Canada : 876 MW 5 MW (008) 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 6

14 .4 Principaux producteurs Situations canadienne et québécoise Puissance installée au Québec en octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 7.4 Principaux producteurs Situations canadienne et québécoise Puissance projetée au Québec - er appel d d offre offre 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 8

15 .4 Principaux producteurs Situations canadienne et québécoise Puissance projetée au Québec autres projets connus 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 9.4 Principaux producteurs Situations canadienne et québécoise Puissance projetée au Québec - eme appel d offre 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 30

16 . Aérodynamique des éoliennes.. Aérodynamique des ailes a) Lignes de courant b) Système tourbillonnaire (vitesse induite et traînée induite) c) Système tourbillonnaire des éoliennes.. Principe de fonctionnement des éoliennes (Facteurs d induction et vitesse relative).3 Théorie de quantité de mouvement a) Disque actuateur b) Analyse par volume de contrôle c) Équation de Bernoulli d) Résultats e) Limite de Betz éolienne idéale f) Effets de rotation g) )Éolienne carénée é 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 3. Aérodynamique des éoliennes.4. Théorie de l élément de pale a) )Élément de pale b) Bilans de quantité de mouvement b) Forces élémentaires c) Application.5. Forme optimale des pales a) Effets de la vitesse spécifique b) Effets du nombre de pales c) Effets de la traînée.6. Profils aérodynamiques pour applications éoliennes 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 3

17 . Aérodynamique des ailes a) Lignes de courant 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 33. Aérodynamique des ailes b) Système tourbillonnaire L = ρu Γ 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 34

18 . Aérodynamique des ailes b) Système tourbillonnaire w: vitesse induite (downwash) D i : Traînée induite 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 35. Aérodynamique des ailes c) Système tourbillonnaire d une éolienne 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 36

19 . Principe de fonctionnement des éoliennes Facteurs d induction et vitesse relative U il = ( a ) U axial θ = ( + a ) Ωr α = ϕ θ P ϕ = arctan U o U axial θ 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 37. Principe de fonctionnement des éoliennes Forces aérodynamiques Ω df N df L ϕ df D r Ω ( + a' ) dft ϕ ϕ θ p θ p,0 θ T α U rel ( ) 0 a 0 ( a)= U rel = θ p = α = ϕ = θ p + α = θ p,0 = θ T = 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 38

20 .3 Théorie de quantité de mouvement a) Disque actuateur P T u, p u,,p-δpp 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 39.3 Théorie de quantité de mouvement b) Analyse par volume de contrôle r r & & t ϑ S r r r r r r r ρ d ϑ + ρ nds = Fvis + Fpres + Fext t ϑ S r r ρdϑ + ρ nds = 0 ρ ed ϑ + e ρ nds = Qin Wmec, out où e = h + + t ϑ Connus: o, T, A, p o Inconnues: u, u, A, p, Δp, P S n gz 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 40

21 .3 Théorie de quantité de mouvement É c) Équation de Bernoulli p A T Δ = p A T Δ Bernoulli de à Bernoulli de 3 à 4 Bernoulli de à 3 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 4 Bernoulli de à 3.3 Théorie de quantité de mouvement d) Résultats ( ) ( ) a u u = + = ( ) ( ) ( ) a u a u u o o o = = + = ( ) p p a a A u ua p A T o o = = Δ = ) ( 4 ρ ρ 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 4 ( ) Tu a a A p u p ua P o o o o = = + + = 3 4 ρ ρ ρ ρ

22 .3 Théorie de quantité de mouvement d) Résultats T ρ C = = 4 a ( a ) C = = 4 a ( a ) T o A P P ρ 3 o A u o 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 43.3 Théorie de quantité de mouvement e) Limite de Betz éolienne idéale dc da P 6 0 CP, Max = à a = C = 7 3 = T 8 9 u o 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 44

23 .3 Théorie de quantité de mouvement f) Effets de la rotation Triangles des vitesses amont et aval ω r Ω r u abs, rel, Ω r rel, u 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 45.3 Théorie de quantité de mouvement f) Effets de la rotation Éolienne idéale avec sillage en rotation λ = 7.5 a tend vers /3 Il faut augmenter Ω C P 8 = λ λ a 0 3 ( a) λrdλr Opération λ 6 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 46

24 .3 Théorie de quantité de mouvement g) Éolienne carénée Éolienne régulière Éolienne carénée o o o o c C P ( a ) To = = CT a 3 ρo A ( ) C P, c C P = m& c m& Tc C P, c = = C ρ 3 o A T c o 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 47.3 Théorie de quantité de mouvement g) Éolienne carénée 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 48

25 .4 Théorie de l élément de pale a) Élément de pale 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 49.4 Théorie de l élément de pale b) Forces élémentaires dl = ρ U rel c l cdr dd = ρu relcdcdr df = dlcosϕ + ddsinϕ df U N T rel = dlsin ϕ dd cos ϕ = o ( a) + Ω r ( + a ) o o 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 50

26 .4 Théorie de l élément de pale c) Applications Éolienne Nordtank NTK 500/4 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 5.5 Forme optimale des pales a) Effets de la vitesse spécifique 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 5

27 .5 Forme optimale des pales c) Effets du nombre de pales c d = 0 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 53.5 Forme optimale des pales d) Effets de la traînée B = 3 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 54

28 .6 Profils aérodynamiques en éolien a) Exemple de profils classiques Profils conventionnels NACA à 4 chiffres Profils conventionnels NACA à 5 chiffres Profils de la série pour applications hydrauliques Profils laminaires de la série 6 Profils supercritiques pour applications transsoniques Profils pour applications basse vitesse 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 55.6 Profils aérodynamiques en éolien b) Critères de design en éolien Trois régions distinctes sur la pale Région à l emplanture (inboard ou root part) Région intermédiaire (mid part) Région en bout de pale (outboard ou tip part) 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 56

29 .6 Profils aérodynamiques en éolien c) Critères de design en éolien Région à l emplanture (c l ) max élevé bon couple au démarrage Épais caractéristiques structurales Utilisation de systèmes aérodynamiques (générateur de tourbillons, volet Gurney) 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 57.6 Profils aérodynamiques en éolien c) Critères de design en éolien Région en bout de pale Compatibilité géométrique et structurale Bonne finesse (c l /c d ) (c l ) max élevé petite corde Insensibilité du (c l ) max aux impuretés et imperfections Contrôle de la puissance au décrochage (provocateur de décrochage ou stall strip) 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 58

30 .6 Profils aérodynamiques en éolien c) Critères de design en éolien Région intermédiaire Compromis entre l emplanture et le bout Compatibilité géométrique et structurale Problèmes des profils conventionnels Pas assez épais Sensibles aux impuretés et imperfections 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 59.6 Profils aérodynamiques en éolien d) Famille de profils éoliens Famille provenant de Delft University of Technology (DUT) Épaisseur relative entre 5 et 40% DU y y -Wn-z z z 3 DU: profil provenant du DUT y y : année de création W: application éolienne n: indique la version z z z 3 : 0 fois l épaisseur relative exprimée en % de c 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 60

31 .6 Profils aérodynamiques en éolien d) Famille de profils éoliens Famille provenant de Delft University of Technology (DUT) 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 6.6 Profils aérodynamiques en éolien d) Famille de profils éoliens Familles provenant du RISØ Risø-A: pour machines de la classe des kw Risø-P: pour machines de la classe des MW Risø-B: pour machines de la classe des MW Risø-B-z z Risø: profil du Risø B: indique la famille z z : épaisseur relative exprimée en % de c 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 6

32 .7 Profils aérodynamiques en éolien d) Famille de profils éoliens Familles provenant du RISØ 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 63.7 Profils aérodynamiques en éolien d) Famille de profils éoliens Famille provenant du NREL (Profils SERI) 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 64

33 .7 Profils aérodynamiques en éolien d) Famille de profils éoliens Familles provenant des USA Profils Somers Profils Selig Profils Eppler 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 65.7 Profils aérodynamiques en éolien e) Dispositifs aérodynamiques Effets des générateurs de tourbillons 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 66

34 .7 Profils aérodynamiques en éolien e) Dispositifs aérodynamiques Effets des volets Gurney 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 67.7 Profils aérodynamiques en éolien e) Dispositifs aérodynamiques Effets des provocateurs de décrochage 8 octobre 008 MEC470 - Technologie éolienne 68